JP2943163B2 - 気体中のパーティクル・カウンタ - Google Patents

気体中のパーティクル・カウンタ

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気体中のパーティクル・カウンタに関し、半
導体製造装置のガス供給系等、特に高い清浄度を要求さ
れるガス配管系内用のパーティクル・カウンタに属す
る。
〔従来の技術〕
従来のガス配管系内の気体中のパーティクル・モニタ
リング法として、第4図に示すような方式が採用されて
いる。すなわち、図に示すように、被測定ガスの流れて
いる配管13より分岐弁14を用いて、配管13の配管材料と
同様の又はそれ以上の高清浄度配管のための特殊洗浄を
施したサンプリング導管15にガスを導き、サンプリング
拡大管16より放出し、気体中のパーティクル・カウンタ
17によりパーティクル数をカウントする。このとき用い
られるサンプリング拡大管16の口径は、該拡大管16から
放出されるガス流速が、気体中のパーティクル・カウン
タ17の吸引ガス流速と同等になるように、使用ガス量等
から算出して決定する等速吸引法が用いられる。
なお、使用される気体中のパーティクル・カウンタ17
の代表的な光学系構成を第5図に示す。即ち、第4図の
サンプリング系によってサンプリングされたガス22はサ
ンプル入口23から吸引され、二重管構造のノズル21の内
管を通じて光散乱室20に入り、レーザ光19を横切ってガ
ス出口25より吸引放出される。
なお、サンプリングガス22は、二重管構造のノズル21
の外管よりリング状に放出されるクリーン・エアー24に
よって覆われ、サンプリングガス22中のパーティクルが
光散乱室20内に放散することが防止されている。レーザ
光19は光散乱室20内でサンプリングガス22がレーザ光19
を横切るとき、サンプリングガス22中のパーティクルに
より散乱され散乱光を発生し、散乱光検出部27は該散乱
光をサンプリングガス22中のパーティクル信号として検
出する。また、図中、18はレーザ管、26は非球面レン
ズ、28は参照光検出部、29は平面鏡である。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した従来の気体中のパーティクル・カウンタは可
燃性ガスや毒性ガスの測定ができず、また、減圧下でガ
スを流している配管系での測定ができず、さらには半導
体製造装置等のガス供給系において、稼働中の装置のガ
ス供給系での測定ができないという欠点がある。
本発明の目的は前記課題を解決した気体中のパーティ
クル・カウンタを提供することにある。
〔発明の従来技術に関する相違点〕
上述した従来の気体中のパーティクル・カウンタが大
気開放構造であるのに対し、本発明のパーティクル・カ
ウンタは大気遮断構造の構成となっており、配管内のガ
スの種類(正し腐蝕性は除く)、圧力によらず、装置が
稼働状態においても配管内のパーティクル・モニタリン
グができるという相違点を有する。
〔課題を解決するための手段〕 前記目的を達成するため、本発明に係る気体中のパー
ティクル・カウンタは、レーザー発振部、光学レンズ
部、偏光部、レーザー受光部から構成される気体中のパ
ーティクル・カウンタにおいて、 パーティクル・カウンタ本体をガス配管系中に気密に
組み込み、該パーティクル・カウンタ本体の光学系をガ
ス配管系のガス通路を横切って配設し、 レーザー発振部からの光を光学レンズ部により一偏光
成分の帯状光線としてガス配管系中に入射させ、パーテ
ィクルによる散乱後の前記一偏光成分の受光減衰量を計
測して、前記パーティクルの計数を行うものである。
また前記気体中のパーティクル・カウンタは、マスフ
ロー・メータとともに配管に組み込まれ、カリキュレー
タを有し、 前記パーティクル・カウンタから単位時間当たりのパ
ーティクル数を出力し、前記マスフロー・メータからガ
ス量を出力するものであり、 前記カリキュレータは、前記パーティクル・カウンタ
から出力される単位時間当たりのパーティクル数と、前
記マスフロー・メータから出力されるガス量とに基づい
て、パーティクル密度を出力するものである。
また前記パーティクル密度が低い場合は、前記帯状光
線のビーム幅を拡大し、前記パーティクル密度が高い場
合は、前記帯状光線のビーム幅を縮小するものである。
〔実施例〕
次に本発明について図面を参照して説明する。
(実施例1) 第1図は本発明の実施例1に示す縦断面図である。
図において、パーティクル・カウンタは4個のリーク
・タイトなガスケット(実施例ではガスケットにメタル
Cリング32を用いたMCGタイプを採用しているが、リー
ク・タイトなものであれば、他のタイプのガスケットも
可)により配管12に接続されており、ナット33をゆるめ
ることにより、配管12から分離できる。30はナット33に
設けたリーク・テストポート、31はスラスト・ベアリン
グである。
パーティクル・カウンタ本体において、レーザ発振部
1はHe−Neレーザ発振管を用いても良いし、可視光半導
体レーザとコリメータレンズを組み合わせ、細い直線ビ
ームを出力するユニットを用いてもよい。レーザ発振部
1より出力されたレーザ光は、グラン・フーコープリズ
ム2によりS偏光成分11とP偏光成分10に分離され(第
2図(a),(b)参照)、P偏光成分10は発振レーザ
出力検出部7によりレーザの発振出力としてモニターさ
れ、S偏光成分11はビーム幅拡大レンズ3a、光散乱ブロ
ック4、ビーム幅縮小レンズ3b、S偏光成分11を透過す
る偏光フィルタ5を経て被散乱光レーザ出力検出部6に
よりモニターされる。
第1図の光学系について、さらに第2図(a),
(b)で説明する。
レーザ発振部1から出力されたレーザ光はランダム偏
光レーザ光9となっているが、グラン・フーコープリズ
ム2を通してS偏光成分11を取り出す。ビーム幅拡大
(又は縮小)レンズ3a,3bは同一曲率半径の凹面及び凸
面からなるシリンドリカル・レンズで、凹面より平行な
細い直線ビームを入射すると、x軸方向に拡大した帯状
のビームに、逆に凸面より前述の帯状ビームを入射する
と、再び細い直線ビームに縮小する。光散乱ブロック4
は入射側,出射側がそれぞれ内部の光散乱室37と同じ曲
率半径の凸型シリンドリカル・レンズを外部に接合した
複合レンズとなっている。今、パーティクル・フリーの
ガスを光散乱室37に導入した場合は、グラン・フーコー
プリズム2より出たS偏光成分11はビーム幅拡大レンズ
3aにより帯状ビームとなり、光散乱ブロック4に入射し
て若干帯の幅が縮小したビームで光散乱室37内を通過
し、光散乱ブロック4、ビーム幅縮小レンズ3bにより、
再び細い直線ビームとなって偏光フィルタ5を通過す
る。次に、光散乱室37内にパーティクルを含んだガスを
導入した場合、光散乱室37内でレーザ光はガス中パーテ
ィクル8により散乱されランダム偏光レーザ光9を部分
的に生じる。即ち、被散乱レーザ出力検出部6には、散
乱されなかったS偏光成分とランダム偏光レーザ光9の
中の前方散乱成分中のS偏光成分しか到達せず、被散乱
レーザ光出力9aは、パルス的な出力低下を生じ、これが
パーティクル信号となる(第2図(c))。
以上の光学系は、S偏光成分11とP偏光成分10を入れ
換えて用いてもよい。即ち、一例として、グラン・フー
コープリズム2に代えてグラン・トムソンプリズムを用
いてP偏光成分10をサンプル光として取り出し、S偏光
成分を透過する偏光フィルタ5を90度回転して、P偏光
成分を透過するようにしてもよい。又、偏光フィルタに
代えて偏光プリズムを用いてもよい。
以上光学系の説明を行なってきたが、測定するガスの
屈折率が大気又は窒素の場合に極端に異なる場合は、光
散乱ブロック4を外側に接合している凸側シリンドリカ
ル・レンズの曲率半径が該ガスの屈折率を考慮したもの
に変換すれば良い。ガスの偏光及び光散乱ブロック4の
汚損時の光散乱ブロック4の交換は、4ヶ所のナット33
をゆるめることで簡単に行なえる。
なお、光散乱室37内の帯状のビーム帯Wは使用される
配管13の内径φ、最小検出粒径l、ガス中のパーティク
ル密度ρ、ガス流量F等に応じて適当に選択して、ビー
ム幅拡大(又は縮小)レンズ3a,3bの曲率半径を変更す
るのが望ましい。具体例として以下の条件を考える。
φ=1/4[inch]=6.35[mm], 拡大前のレーザ・ビーム径:T=3[μm] 粒径0.2[μm]以上のρ =100[ヶ/ft3]≒1[ヶ/280cc] F=1000[cc/min] このとき、配管13の断面積S=(φ/2)πを横切る
単位時間当りのパーティクル数P=F/ρ≒3.5[ヶ/mi
n]。
今、検出頻度γ=1[ヶ/min]を得るのに必要なビ
ーム幅W1=S・γ1/(P/φ)≒1.4[mm]となる。しか
し、このときl=0.2[μm]を得るためには、S/N≒10
・log(W1・T/l2)=10log(105000)≒50[dB]以上の
感度が光学系に要求される。一方、S/N比=30[dB]=1
0log(1000)程度の感度でl=0.2[μm]を得るのに
必要なビーム幅W2=103・l2/T≒13[μm]となり、検
出頻度γ=W2・P・φ/S≒0.01[ヶ/min]=1[ヶ/1
00min]と極端に低下する。即ち、パーティクル密度が
低い場合は、光学系のS/N比の許す範囲でビーム幅Wを
拡大するのが望ましく、パーティクル密度が高い場合
は、最小検出粒径lを下げるためにビーム幅Wは縮小す
るのが望ましい。
(実施例2) 第3図(a),(b)は本発明の実施例2を示す構成
図である。第1図で説明した本発明のパーティクル・カ
ウンタ34はマスフロー・メータ35とペアで配管13に組み
込まれ、各々からの出力信号である単位時間当りのパー
ティクル数αと、ガス流量βはカリキュレータ36に送ら
れる。カリキュレータ36は上記信号と、光散乱室37内の
断面積Sと光散乱室37内のレーザ光路38の占有面積sの
比a=s/Sを用いて、パーティクル密度ρ=α/(a×
β)を出力する。即ち、この実施例によれば、実施例1
では相対的パーティクル密度しかもたらされないもの
を、マスフロー・メータ35と組み合わせることで、パー
ティクル密度の絶対値を出力するという利点がある。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、気体中のパーティクル
・カウンタをガス配管系の構成要素の一つとして該配管
系に組み込まれる構造とすることにより、配管内を流れ
る可燃性ガスや毒性ガス中のパーティクル・レベルのモ
ニターを可能とし、又減圧及び加圧下での配管中のパー
ティクル・レベルを測定できる効果がある。また、パー
ティクル・カウンタを一構成要素とするガス配管系から
ガス供給を受けている装置を稼働状態のままで、該ガス
配管系内のパーティクル・レベルのインライン・モニタ
リングが可能となり、該パーティクル・カウンタ上流部
のエアー・オペレートバルブ、ガスフィルター等の劣化
によるパーティクル発生傾向についてもモニターでき
る。
さらに、パーティクルによって散乱されて、減衰した
入射光強度を測定することにより、ダストをカウントし
ているため、散乱光を集光するための構造が不要とな
り、検知部の構造を簡略化することができる。
さらに、レーザ発振部からの光を光学レンズ部により
一偏光成分の帯状光線としてガス配管系に入射させるた
め、光強度をより均一にすることができ、この均一性に
より減衰量がパーティクルの大きさに応じて変化するよ
うにでき、パーティクル数を大きさ別にカウントするこ
とを精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1を示す断面図、第2図(a)
は第1図の光学系のA−A′線断面図、(b)は同側面
図、(c)は出力波形図、第3図(a),(b)は本発
明の実施例2を示す構成図、第4図は従来例を示す構成
図、第5図は従来の気体中のパーティクル・カウンタの
代表的な光学系構成図である。 1……レーザ発振部 2……グラン・フーコープリズム 3a……ビーム幅拡大レンズ 3b……ビーム幅縮小レンズ 4……光散乱ブロック、5……偏光フィルタ 6……被散乱レーザ出力検出部 7……発振レーザ出力検出部 8……ガス中パーティクル 9……ランダム偏光レーザ光 10……P偏光成分、11……S偏光成分 12……配管、13……配管 14……分岐弁、15……サンプリング導管 16……サンプング拡大管 17……気体中のパーティクル・カウンタ 18……レーザ管、19……レーザ光 20……光散乱室 21……二重管構造のノズル 22……サンプリング・ガス 23……サンプル入口、24……クリーン・エアー 25……ガス出口、26……非球面レンズ 27……散乱光検出部、28……参照光検出部 29……平面鏡 30……リーク・テストポート 31……スラスト・ベアリング 32……ガスケット(メタルCリング) 33……ナット 34……本発明のパーティクル・カウンタ 35……マスフロー・メータ 36……カリキュレータ 37……本発明のパーティクル・カウンタ34の光散乱室 38……光散乱室内のレーザ光路

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザー発振部、光学レンズ部、偏光部、
    レーザー受光部から構成される気体中のパーティクル・
    カウンタにおいて、 パーティクル・カウンタ本体をガス配管中に気密に組み
    込み、該パーティクル・カウンタ本体の光学系をガス配
    管系のガス通路を横切って配設し、 レーザー発振部からの光を光学レンズ部により一偏光成
    分の帯状光線としてガス配管系中に入射させ、パーティ
    クルによる散乱後の前記一偏光成分の受光減衰量を計測
    して、前記パーティクルの計数を行うものであることを
    特徴とする気体中のパーティクル・カウンタ。
  2. 【請求項2】前記気体中のパーティクル・カウンタは、
    マスフロー・メータとともに配管に組み込まれ、カリキ
    ュレータを有し、 前記パーティクル・カウンタから単位時間当たりのパー
    ティクル数を出力し、前記マスフロー・メータからガス
    量を出力するものであり、 前記カリキュレータは、前記パーティクル・カウンタか
    ら出力される単位時間当たりのパーティクル数と、前記
    マスフロー・メータから出力されるガス量とに基づい
    て、パーティクル密度を出力するものであることを特徴
    とする請求項1に記載の気体中のパーティクル・カウン
    タ。
  3. 【請求項3】前記パーティクル密度が低い場合は、前記
    帯状光線のビーム幅を拡大し、前記パーティクル密度が
    高い場合は、前記帯状光線のビーム幅を縮小するもので
    あることを特徴とする請求項2に記載の気体中のパーテ
    ィクル・カウンタ。
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